半导体器件与物理一

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1、第1章半导体特性1.1半导体的晶格结构1.2半导体的导电性1.3半导体中的电子状态和能带1.4半导体中的杂质与缺陷1.5载流子的运动1.6非平衡载流子1.7习题半导体材料的晶格结构电子和空穴的概念半导体的电性能和导电机理载流子的漂移运动和扩散运动非平衡载流子的产生和复合●——本章重点半导体的晶格结构1.1电阻率介于导体和绝缘体之间。导体（电阻率小于10-8Ω·m），绝缘体（电阻率大于106Ω·m）。半导体五种常见的晶格结构●简单立方结构●体心立方结构●面心立方结构●金刚石结构●闪锌矿结构晶体自然界中存在的固体材料，按其结构形式不同，可以分为晶体（如石英、金刚石、硫酸

2、铜等）和非晶体（玻璃、松香、沥青等）。釙(Po)晶体的原子按一定规律在空间周期性排列，形成格点，成为晶格。体心立方结构钠（Na）钼（Mo）钨（W）面心立方结构铝（Al）铜（Cu）金（Au）银（Ag）金刚石结构硅（Si）锗（Ge）由两个面心立方结构沿空间对角线错开四分之一的空间对角线长度相互嵌套而成。大量的硅（Si）、锗（Ge）原子靠共价键结合组合成晶体，每个原子周围都有四个最邻近的原子，组成正四面体结构，。这四个原子分别处在正四面体的四个顶角上，任一顶角上的原子各贡献一个价电子和中心原子的四个价电子分别组成电子对，作为两个原子所共有的价电子对。闪锌矿结构砷化镓（GaAs）磷化

3、镓(GaP)硫化锌(ZnS)硫化镉(CdS)元素半导体化合物半导体硅（Si）锗（Ge）Ⅲ族元素[如铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)]和Ⅴ族元素[如磷(P)、砷(As)、锑(Sb)]合成的Ⅲ-Ⅴ族化合物都是半导体材料假使体心结构的原子是刚性的小球，且中心原子与立方体八个角落的原子紧密接触，试算出这些原子占此体心立方单胞的空间比率。例1-1解练习假使面心结构的原子是刚性的小球，且面中心原子与面顶点四个角落的原子紧密接触，试算出这些原子占此面心立方单胞的空间比率。例1-2硅（Si）在300K时的晶格常数为5.43Å。请计算出每立方厘米体积中硅原子数及常温下的硅原子密度。（硅的摩尔

4、质量为28.09g/mol）解练习试计算常温下锗的数密度。晶体的各向异性沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在不同方向的物理特性也不同。晶体的各向异性具体表现在晶体不同方向上的弹性膜量、硬度、热膨胀系数、导热性、电阻率、电位移矢量、电极化强度、磁化率和折射率等都是不同的。在ACC’A’平面内有六个原子，在ADD’A’平面内有五个原子，且这两个平面内原子的间距不同。晶面指数（密勒指数）常用密勒指数来标志晶向的不同取向。密勒指数是这样得到的：（1）确定某平面在直角坐标系三个轴上的截点，并以晶格常数为单位测得相应的截距；（2）取截距的倒数，然后约简为三

5、个没有公约数的整数，即将其化简成最简单的整数比；（3）将此结果以“（hkl）”表示，即为此平面的密勒指数。如图，晶面ACC’A’在坐标轴上的截距为1，1，∞，其倒数为1，1，0，此平面用密勒指数表示为（110），此晶面的晶向（晶列指数）即为[110]；晶面ABB’A’用密勒指数表示为（）；晶面D’AC用密勒指数表示为（）。练习试求ADD’A’的密勒指数。晶列指数——晶向指数任何两个原子之间的连线在空间有许多与它相同的平行线。一族平行线所指的方向用晶列指数表示晶列指数是按晶列矢量在坐标轴上的投影的比例取互质数[111]、[100]、[110]晶面指数（密勒指数）任何三个原子组成

6、的晶面在空间有许多和它相同的平行晶面一族平行晶面用晶面指数来表示它是按晶面在坐标轴上的截距的倒数的比例取互质数(111)、(100)、(110)相同指数的晶面和晶列互相垂直。例1-3思考题立方晶体有几个<111>、<100>?1.2半导体的电性能温度与半导体半导体的电导率随温度升高而迅速增加。金属电阻率的温度系数是正的（即电阻率随温度升高而增加，且增加得很慢）；半导体材料电阻率的温度系数都是负的（即温度升高电阻率减小，电导率增加，且增加得很快）。对温度敏感，体积又小，热惯性也小，寿命又长，因此在无线电技术、远距离控制与测量、自动化等许多方面都有广泛的应用价值。热敏电阻杂质与半

7、导体杂质对半导体材料导电能力的影响非常大。例如，纯净硅在室温下的电阻率为2.14×107Ω·m，若掺入百分之一的杂质（如磷原子），其电阻就会降至20Ω·m。虽然此时硅的纯度仍旧很高，但电阻率却降至原来的一百万分之一左右，绝大多数半导体器件都利用了半导体的这一特性。光照与半导体光照对半导体材料的导电能力也有很大的影响。例如，硫化镉（CdS）薄膜的暗电阻为几十兆欧，然而受光照后，电阻降为几十千欧，阻值在受光照以后改变了几百倍。成为自动化控制中的一个重要元件。光敏电阻其他因素与半导体除温度、杂质、光照外，电场